capacidad de pilotes individuales - notas

1

Capacidad de pilotes

individuales

Carga axial

Fricción

Punta

Carga lateral

Capacidad estructural

Capacidad de pilotes individuales Se consideran tres aspectos con respecto a la capacidad de pilotes: Carga axial Carga lateral Capacidad estructural Este problema en general depende de las condiciones del material, suelo o roca (que en esta presentación se refiere de forma general como suelo), del tipo de pilote, y en particular de la forma como se construya.

2

Carga axial

Fricción

Movilización

Tipo de suelo/roca

Arcilloso

Blando

Duro

Granular

Rocas blandas

Rocas duras

Efectos constructivosExcavados en sitio

Hincados

Punta

Movilización

Efectos constructivosExcavados en sitio

Hincados

Carga axial La carga axial en principio se obtiene multiplicando la fricción lateral por el perímetro del pilote y la capacidad de carga por la punta por el área de la punta del pilote. La dificultad está en saber cuales son los valores de fricción a lo largo del pilote y la capacidad de soporte por la punta. Estos valores dependen del tipo de suelos, el tipo de pilote y del proceso constructivo. Existen métodos semiempíricos para estimar la capacidad de los pilotes con base en el tipo de suelo y de pilote , pero esto en realidad no se puede saber sino mediante pruebas de carga sobre pilotes reales. La carga axial aplicada en la parte superior del pilote produce compresión y por lo tanto deformación en el pilote, y deformación relativa del pilote con respecto al suelo con lo que se va produciendo una transferencia de carga por fricción del pilote hacia el suelo hasta equilibrar la carga aplicada.

Si la carga aplicada es mayor que la resistencia por fricción a lo largo de pilote se moviliza también la carga por la punta del pilote. Nótese por lo tanto que para que se movilice la carga por punta primero se tiene que movilizar la mayor parte de la carga por fricción. En este sentido TODOS los pilotes son pilotes que trabajan primero por fricción y luego por punta. Esto es contrario al concepto usual de que hay pilotes que trabajan por fricción y otros que trabajan por punta. El único caso en que el concepto de pilotes trabando por punta es razonablemente válido es cuando los pilotes llegan a un estrato muy rígido y de resistencia mayor a la del concreto, y el suelo por encima de este nivel es muy blando de muy baja resistencia por fricción. En este caso el pilote se deformará bajo las cargas aplicadas como si estuviera fijo en la punta, generando un desplazamiento pilote suelo por fricción correspondiente sólo al acortamiento elástico del pilote, y generando una fricción que si la resistencia del suelo es baja, será también baja, aunque aún en este caso no es inexistente. Al movilizar en su totalidad la capacidad de carga axial de un pilote, a deformaciones del orden del 10% del tamaño de su sección transversal, se pueden producir asentamientos de gran magnitud (decenas de centímetros).

3

Fricción

Movilización

Tipo de suelo/roca

Arcilloso

Blando

Duro

Granular

Rocas blandas

Rocas duras

Efectos constructivos

Excavados en sitio

Con camisa

Sin camisa

Hincados

Fricción La fricción lateral a lo largo de pilote depende del tipo de suelo y del tipo de pilote (en particular cómo se construye), de la magnitud de las cargas y de la forma como se moviliza la fricción con la deformación del pilote.

4

Fricción - Movilización

Movilización La resistencia por fricción entre dos materiales (pilote y suelo) en general corresponde al producto del esfuerzo normal entre las dos superficies y el coeficiente de fricción entre las superficies que está estrechamente relacionado con la resistencia al corte por fricción del suelo. El esfuerzo normal aumenta con la profundidad y en el caso de pilotes de desplazamiento también aumenta por efecto de la compresión lateral del suelo en el proceso instalación. Aunque el esfuerzo lateral aumenta progresivamente con la profundidad en la realidad el esfuerzo lateral disponible para la resistencia por fricción en pilotes aumenta sólo hasta un valor máximo que se alcanza a una profundidad del orden de 10 veces el diámetro del pilote. Esto parece estar relacionado con el hecho de que los procesos de instalación y luego de solicitación por corte del suelo hacen que se altere la estructura del suelo en la interface pilote-suelo y que

se alcance una situación límite o crítica que no permite que aumente la resistencia de forma indefinida con la profundidad. Por otra parte para cada tipo de suelo existe una relación entre la carga por fricción movilizada y el desplazamiento relativo pilote-suelo. Esta relación usualmente llamada P-y tiene una pendiente inicial hasta llegar a un valor máximo de esfuerzo cortante y luego se mantiene constante. La deformación necesaria para movilizar la totalidad del esfuerzo por fricción que resiste el suelo depende del tipo de suelo, en particular de su rigidez, pero en general es de pocos milímetros. Es decir, la resistencia por fricción se moviliza con pequeñas deformaciones entre el pilote y el suelo.

5

Fricción Tipo de suelo/roca

Arcilloso

Blando

Duro

Granular

Rocas blandas

Rocas duras

6

Fricción – suelos arcillosos blandos

Blando La fricción en suelos arcillosos blandos es en general igual a la resistencia al corte en condición no drenada de al arcilla.

7

Fricción - suelos arcillosos duros

Duro En suelos arcillosos duros la resistencia al corte tiene una componente por fricción y otra por dilatancia (empaquetamiento o sobreconsolidación). La resistencia por fricción en pilotes es del orden de la componente de resistencia por fricción del suelo, y por lo tanto es menor a la resistencia del suelo.

8

Fricción - suelos granulares

Granular La resistencia por fricción en suelos granulares esta controlada por el ángulo de fricción interna del suelo. EN suelos muy densos hay una alta componente de resistencia al corte debida al empaquetamiento (dilatancia) que no se moviliza en al interface pilote suelo, y por lo tanto la resistencia en al interface pilote- suelo es menor que la resistencia en el suelo mismo.

9

Fricción - Rocas blandas

Rocas blandas En rocas blandas la resistencia por fricción pilote-roca está muy determinada por el grado de meteorización y la resistencia de la parte arcillosa que usualmente conforma este tipo de rocas. Usualmente estos pilotes trabajan como pilotes en arcillas duras.

10

Fricción - Rocas duras

Rocas duras En rocas duras la resistencia por fricción pilote-roca está determinada por al fricción concreto-roca y es muy afectada (favorablemente) por las irregularidades de la pared del pilote.

11

Efectos constructivos

Excavados en sitio

Con camisa

Permanente

Temporal

Sin camisa

Hincados

12

Excavados en sitio

Con camisa

Permanente

Temporal

Sin camisa

Excavados en sitio En pilotes excavados en sitio en general la resistencia por fricción depende fundamentalmente de al resistencia del suelo, ya que este tipo de instalación no produce efectos muy importantes de compactación o remoldeo del suelo como en el caso de pilotes hincados. Sin embargo, la resistencia por fricción se puede ver afectada pro los detalles del proceso de construcción. En particular el uso de lodos de perforación que pueden crear una superficie de baja fricción entre el pilote y el suelo, y por el uso camisas para la excavación. Dependiendo de si estas se dejen o se remueven y de la forma como se instalen pueden producir efectos tales como: Espacios entre la camisa y el suelo con vacíos o concreto contaminado que afectan la fricción. Se puede afectar el suelo alrededor del pilote con la colocación (por ejemplo por vibrado de suelos granulares), o al retirar la camisa.

La excavación de los pilotes usualmente no produce paredes perfectamente uniformes, sino que estas tienen irregularidades por efectos de erosión diferencial de estratos de diferente resistencia, socavación o derrumbes, efectos de flujo de agua subterránea, de succión y flujo al introducir y sacar las herramientas de excavación en la perforación con lodos, etc., todo lo cual produce un perfil irregular del pilote, en ocasiones con expansiones importantes. Esto se refiere a que el volumen del concreto utilizado en la construcción es mayor que el volumen teórico de excavación. Todos estos efectos en general son favorables a la capacidad por fricción de los pilotes preexcavados. Estos efectos se pueden valorar mediante pruebas de capacidad de carga, pero se debe tener en cuenta que estos efectos son en general variables de pilote a pilote.

13

Fricción - Hincados

Hincados En los pilotes hincados se moviliza tanto el 100% de la capacidad de carga por fricción como por punta a lo largo del pilote durante todo el proceso de hinca. Con respecto a la fricción, el proceso de hinca produce un gran desplazamiento relativo entre el pilote y el suelo, a la vez que produce desplazamiento y compactación del suelo alrededor de pilote. Estos dos efectos producen cambios importantes en el suelo que afectan su resistencia a la fricción. La compactación mejora sustancialmente la resistencia de suelos compresibles (arcillas poco compactas o materiales granulares de densidad baja a media). Sin embargo en materiales densos, este proceso puede dañar significativamente la estructura del suelo, es decir debe romperlo para acomodar el paso del pilote y en lugar de mejorar desmejora la condición del suelo. Por otra parte el desplazamiento relativo pilote-suelo, que es mayor cerca de la superficie

y menor en la medida que aumenta la profundidad, produce remoldeo del suelo que tiende a afectar la fricción, en especial en suelos arcillosos donde se puede incluso llegar a una condición de resistencia residual cuyo ángulo de fricción es mucho menor que el del suelo en condiciones iniciales. La capacidad del pilote es la que moviliza durante la construcción, y posteriormente sólo aumenta ocasionalmente por efecto de disipación depresiones de poros inducidas durante la hinca en suelos arcillosos principalmente. Por lo tanto, a menos que haya daños estructurales en el pilote la capacidad por fricción es la que se obtuvo durante la hinca. Con base en pruebas se pueden determinar criterios de hinca que permiten asegurar la capacidad portante de los pilotes instalados de esta forma.

14

Punta Efectos constructivos

Excavados en sitio

Hincados

Efectos constructivos La capacidad que se pueda movilizar por la punta depende del tipo de instalación.

15

Punta - Movilización

Movilización La capacidad de soporte por punta del pilote se desarrolla para equilibrar la carga que logre llegar hasta la punta del pilote que es el balance entre la carga aplicada en la cabeza del pilote menos la carga que se genera por fricción a lo largo del pilote. Por lo tanto la movilización de la carga por punta ocurre para deformaciones mayores a las necesarias para movilizar la fricción que en general son pequeñas. Adicionalmente la carga por punta se moviliza por la compresión de un volumen de suelo proporcional a la sección transversal del pilote y por lo tanto requiere de deformaciones del orden de 5 a 10% del tamaño de la sección del pilote para que se movilice la totalidad de la carga, lo cual puede ser un desplazamiento grande, inadmisible para un pilote, en especial en pilotes de gran diámetro. Por lo tanto usualmente las deformaciones de la punta del pilote para efectos de la definición de la capacidad por punta se limitan al 2% del diámetro de pilote.

16

Punta - Excavados en sitio

Excavados en sitio En pilotes excavados y fundidos en sitio es muy común que en el fondo del pilote queden restos de suelos o lodo de la excavación que ocupen total o parcialmente un volumen de la sección del pilote produciendo lo que se conoce como una punta blanda. Este efecto produce un suelo blando que al cargar el pilote se deforma hasta tanto se compacte lo suficiente para poder transmitir efectivamente las cargas al suelo sano por debajo del pilote. Estas deformaciones pueden ser de tal magnitud que para efectos prácticos anulen por completo la capacidad de soporte por punta del pilote. Por lo tanto, en pilotes excavados y fundidos en sitio la capacidad de soporte del pilote es fundamentalmente por fricción. Si los factores de seguridad son adecuados, y el suelo tiene resistencia por fricción, normalmente la mayor parte de la carga se equilibra por fricción y la carga que llega a la punta es baja. Solo en el caso de tener pilotes llegando a materiales de resistencia mucho mayor a la del concreto y con controles de construcción muy cuidadosos se puede considerar una contribución importante de capacidad por punta.

17

Punta - Hincados

Hincados En los pilotes hincados tanto el 100% de la capacidad de carga por fricción como por punta se moviliza a lo largo del pilote durante todo el proceso de instalación. La capacidad del pilote es la que moviliza durante la construcción, y posteriormente sólo aumenta ocasionalmente por efecto de disipación depresiones de poros inducidas durante al hinca en suelos arcilloso principalmente. Por lo tanto, a menos que haya daños estructurales en el pilote la capacidad por punta es la que se obtuvo durante la hinca. Con base en pruebas se pueden determinar criterios de hinca que permiten asegurar la capacidad portante de los pilotes instalados de esta forma. Durante la hinca, en especial en materiales de alta resistencia, se pueden producir daños en los pilotes que se manifieste luego en pérdida de capacidad de soporte.

18

Carga lateral

Rigidez del suelo

Rigidez del pilote

Profundidad de empotramiento

Carga lateral La capacidad de carga lateral de pilotes está determinada por las deformaciones admisibles. En esto tiene una alta injerencia la longitud libre del pilote por fuera del suelo por ejemplo en pilas de puentes o puertos, ya que en esa longitud los pilotes están libres trabajando en voladizo y las deformaciones son altas. Para efectos de cargas laterales el pilote trabaja como si estuviera empotrado a una profundidad del orden de 5 a 10 veces el diámetro del pilote, independientemente del tipo de suelo. Esta longitud depende de la rigidez del pilote con respecto al suelo. Las características del suelo en estos primeros metros de profundidad usualmente no se pueden controlar y son estas las que determinan el funcionamiento de los pilotes bajo carga lateral. Esto implica que la respuesta de los pilotes a carga lateral depende principalmente del tipo de suelo en los primeros metros de profundidad y de la rigidez del pilote (inercia principalmente). No de la longitud del pilote. Esto es contrario a la idea general de que para mejorar el comportamiento de pilotes bajo carga lateral se deben hacer de mayor longitud.

19

Carga lateral - Rigidez del suelo

Rigidez del suelo La rigidez del suelo se puede medir mediante ensayos de geofísica, (downhole, cross hole o dispersión de ondas superficiales), mediante ensayos de presurómetro o dilatómetro, o se puede estimar por medio de correlaciones con otros parámetros o ensayos (SPT, CPT, etc). Nótese que la rigidez del suelo es diferente y no tiene mucha relación con la resistencia.

20

Carga lateral - Rigidez del pilote

Rigidez del pilote La rigidez del pilote está dada principalmente por su inercia que es una propiedad geométrica de la sección transversal, y por la rigidez (módulo de elasticidad) del material del pilote, siendo esto menos importante. Si se necesita mejorar el funcionamiento de un pilote para carga lateral, lo más efectivo es aumentar el diámetro, no necesariamente con una sección sólida. En este sentido los pilotes tubulares de acero tienden a ser las más efectivos para este tipo de cargas.

21

Carga lateral -Profundidad de empotramiento

Profundidad de empotramiento La profundidad de empotramiento equivalente (a partir de la cual para efectos de carga lateral no importa que tanto más sea) depende dela rigidez del pilote y del suelo que se encuentre hasta dicha profundidad de empotramiento. Esta longitud varía entre 5 y 10 veces el diámetro del pilote.

22


Esfuerzos de flexión

compresión / tensión

De trabajo

Durante construcción

Capacidad de cortante y momento

Juntas

Verticalidad

Capacidad estructural La capacidad estructural se refiere a los esfuerzos internos en el pilote y su capacidad de soportarlos tanto durante construcción como durante operación. En muchos casos las condiciones críticas de esfuerzos internos en los pilotes son durante construcción, en particular en el caso de pilotes hincados.

23


Esfuerzos de flexión

compresión / tensión

De trabajo

Durante construcción

Esfuerzos de flexión compresión / tensión Las cargas de diseño de pilotes pueden ser para compresión o tensión o ambas. Independientemente de esto, los pilotes hincados durante construcción sufren esfuerzos tanto de compresión como de tensión por efecto de la propagación de las ondas de esfuerzos producidas por la hinca. Estos esfuerzos pueden ser de gran magnitud dependiendo de las relaciones de impedancia entre el equipo de hinca el pilote y el suelo. Estos pilotes también están sometidos a esfuerzos debidos al proceso de transporte, izaje e instalación, que pueden ser esfuerzos de flexión que determinen su capacidad estructural. Durante construcción los pilotes se pueden ver sometidos a esfuerzos de flexión por empujes o golpes, o por deformaciones del terreno por ejemplo en el caso de excavaciones para edificios en suelos blandos, o en zonas de deslizamientos.

24

Capacidad estructural Esfuerzos de trabajo

De trabajo Usualmente al carga axial de trabajo normal en pilotes de concreto no debe exceder el 40% de la resistencia a compresión del pilote. Sin embargo este tema debe ser objeto de análisis y diseño estructural.

25

Capacidad estructural Durante construcción

Durante construcción Durante construcción de pilotes hincados se pueden tener esfuerzos de transporte, izaje, tensión y compresión que pueden ser determinantes del diseño estructural. En el caso de pilotes de concreto estos usualmente son pre esforzados, lo cual se debe tener en cuenta en el diseño estructural y la verificación durante construcción que se puede hacer mediante pruebas instrumentadas.

26

Capacidad de cortante y momento

Capacidad de cortante y momento La capacidad por cortante y momento (curva de interacción) en pilotes están controladas usualmente por las condiciones de carga lateral

27

Capacidad estructural - Juntas

Juntas En pilotes hincados las juntas son un elemento crítico que se debe diseñar estructuralmente y garantizar para el adecuado funcionamiento del pilote.

28

Capacidad estructural - Verticalidad

Verticalidad En general los pilotes no son verticales. Especialmente si son hincados o de gran esbeltez, las desviaciones con la verticalidad y los efectos de segundo orden (momentos principalmente) pueden ser muy importantes. Este es un aspecto que se debe considerar en el diseño estructural.

capacidad de pilotes individuales - notas

Documents